Via merupakan salah satu komponen penting PCB multi-layer, dan biaya pengeboran biasanya mencapai 30% hingga 40% dari biaya papan PCB. Sederhananya, setiap lubang pada PCB dapat disebut via.
Konsep dasar via:
Dari segi fungsi, via dapat dibagi menjadi dua kategori: satu digunakan sebagai sambungan listrik antar lapisan, dan yang lainnya digunakan sebagai pengikat atau pemosisian perangkat. Berdasarkan prosesnya, lubang-lubang ini secara umum dibagi menjadi tiga kategori, yaitu lubang buta, lubang terkubur, dan lubang tembus.
Lubang buta terletak di permukaan atas dan bawah papan sirkuit cetak dan memiliki kedalaman tertentu untuk menghubungkan sirkuit permukaan dan sirkuit dalam di bawahnya, dan kedalaman lubang biasanya tidak melebihi rasio tertentu (bukaan).
Lubang terkubur mengacu pada lubang sambungan yang terletak di lapisan dalam papan sirkuit cetak, yang tidak memanjang hingga ke permukaan papan. Kedua jenis lubang di atas terletak di lapisan dalam papan sirkuit, yang diselesaikan melalui proses pencetakan lubang tembus sebelum laminasi, dan beberapa lapisan dalam mungkin tumpang tindih selama pembentukan lubang tembus.
Jenis ketiga disebut lubang tembus, yang menembus seluruh papan sirkuit dan dapat digunakan untuk mencapai interkoneksi internal atau sebagai lubang posisi pemasangan komponen. Karena lubang tembus lebih mudah dicapai dalam proses ini dan biayanya lebih rendah, sebagian besar papan sirkuit cetak menggunakannya, alih-alih dua lubang tembus lainnya. Lubang-lubang berikut, tanpa instruksi khusus, dianggap sebagai lubang tembus.
Dari sudut pandang desain, via terutama terdiri dari dua bagian: satu bagian tengah lubang pengeboran, dan yang lainnya adalah area bantalan las di sekitar lubang pengeboran. Ukuran kedua bagian ini menentukan ukuran via.
Jelasnya, pada desain PCB berkecepatan tinggi dan berdensitas tinggi, perancang selalu menginginkan lubang sekecil mungkin, sehingga lebih banyak ruang kabel yang dapat tersisa, selain itu, semakin kecil via, kapasitansi parasitnya sendiri semakin kecil, lebih cocok untuk sirkuit berkecepatan tinggi.
Namun, pengurangan ukuran via juga membawa peningkatan biaya, dan ukuran lubang tidak dapat dikurangi tanpa batas, hal ini dibatasi oleh teknologi pengeboran dan pelapisan listrik: semakin kecil lubang, semakin lama pengeboran berlangsung, semakin mudah untuk menyimpang dari pusat; Ketika kedalaman lubang lebih dari 6 kali diameter lubang, mustahil untuk memastikan bahwa dinding lubang dapat dilapisi tembaga secara seragam.
Misalnya, jika ketebalan (kedalaman lubang tembus) papan PCB 6 lapis normal adalah 50 Mil, maka diameter pengeboran minimum yang dapat disediakan oleh produsen PCB dalam kondisi normal hanya dapat mencapai 8 Mil. Dengan perkembangan teknologi pengeboran laser, ukuran pengeboran juga dapat semakin kecil, dan diameter lubang umumnya kurang dari atau sama dengan 6 Mil, yang disebut lubang mikro.
Lubang mikro sering digunakan dalam desain HDI (struktur interkoneksi kepadatan tinggi), dan teknologi lubang mikro memungkinkan lubang dibor langsung pada bantalan, yang sangat meningkatkan kinerja sirkuit dan menghemat ruang kabel. Via muncul sebagai titik putus diskontinuitas impedansi pada saluran transmisi, yang menyebabkan pantulan sinyal. Umumnya, impedansi ekuivalen lubang sekitar 12% lebih rendah daripada saluran transmisi. Misalnya, impedansi saluran transmisi 50 ohm akan berkurang 6 ohm ketika melewati lubang (khususnya, ukuran via dan ketebalan pelat juga terkait, bukan pengurangan absolut).
Namun, refleksi yang disebabkan oleh diskontinuitas impedansi melalui sebenarnya sangat kecil, dan koefisien refleksinya hanya:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Masalah yang timbul dari via lebih terkonsentrasi pada efek kapasitansi dan induktansi parasit.
Kapasitansi Parasit dan Induktansi Via
Terdapat kapasitansi parasitik yang menyimpang di dalam via itu sendiri. Jika diameter zona resistansi solder pada lapisan yang diletakkan adalah D2, diameter bantalan solder adalah D1, ketebalan papan PCB adalah T, dan konstanta dielektrik substrat adalah ε, kapasitansi parasitik lubang tembus kira-kira:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Efek utama kapasitansi parasit pada rangkaian adalah memperpanjang waktu naik sinyal dan mengurangi kecepatan rangkaian.
Misalnya, untuk PCB dengan ketebalan 50 Mil, jika diameter via pad adalah 20 Mil (diameter lubang pengeboran adalah 10 Mil) dan diameter zona resistansi solder adalah 40 Mil, maka kita dapat memperkirakan kapasitansi parasit via dengan rumus di atas:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Jumlah perubahan waktu kenaikan yang disebabkan oleh bagian kapasitansi ini kira-kira:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Dari nilai-nilai ini, dapat dilihat bahwa meskipun manfaat penundaan kenaikan yang disebabkan oleh kapasitansi parasit dari satu via tidak terlalu jelas, jika via digunakan beberapa kali dalam saluran untuk berpindah antar lapisan, beberapa lubang akan digunakan, dan desainnya harus dipertimbangkan dengan cermat. Dalam desain aktual, kapasitansi parasit dapat dikurangi dengan menambah jarak antara lubang dan area tembaga (Anti-pad) atau mengurangi diameter pad.
Dalam perancangan sirkuit digital berkecepatan tinggi, kerusakan yang disebabkan oleh induktansi parasit seringkali lebih besar daripada pengaruh kapasitansi parasit. Induktansi seri parasitnya akan melemahkan kontribusi kapasitor bypass dan melemahkan efektivitas penyaringan seluruh sistem daya.
Kita dapat menggunakan rumus empiris berikut untuk menghitung induktansi parasit dari perkiraan melalui lubang:
L=5,08jam[ln(4jam/hari)+1]
Dengan L adalah induktansi via, h adalah panjang via, dan d adalah diameter lubang pusat. Dari rumus tersebut, dapat dilihat bahwa diameter via memiliki pengaruh yang kecil terhadap induktansi, sedangkan panjang via memiliki pengaruh yang paling besar. Masih menggunakan contoh di atas, induktansi di luar lubang dapat dihitung sebagai:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Jika waktu naik sinyal adalah 1 ns, maka ukuran impedansi ekivalennya adalah:
XL = πL / T10-90 = 3,19Ω
Impedansi semacam itu tidak dapat diabaikan dalam kehadiran arus frekuensi tinggi yang melalui, khususnya, perhatikan bahwa kapasitor bypass perlu melewati dua lubang saat menghubungkan lapisan daya dan formasi, sehingga induktansi parasit lubang akan berlipat ganda.
Bagaimana cara menggunakan via?
Melalui analisis karakteristik parasit lubang di atas, kita dapat melihat bahwa dalam desain PCB berkecepatan tinggi, lubang yang tampak sederhana seringkali membawa efek negatif yang besar pada desain sirkuit. Untuk mengurangi efek negatif yang disebabkan oleh efek parasit lubang, desain dapat sedapat mungkin:
Dari dua aspek biaya dan kualitas sinyal, pilihlah ukuran via yang wajar. Jika perlu, Anda dapat mempertimbangkan untuk menggunakan berbagai ukuran via, misalnya untuk lubang catu daya atau kabel ground, Anda dapat mempertimbangkan untuk menggunakan ukuran yang lebih besar untuk mengurangi impedansi, dan untuk kabel sinyal, Anda dapat menggunakan via yang lebih kecil. Tentu saja, seiring berkurangnya ukuran via, biaya yang terkait juga akan meningkat.
Kedua rumus yang telah dibahas diatas dapat disimpulkan bahwa penggunaan PCB yang lebih tipis lebih kondusif untuk mengurangi dua parameter parasit via
Pengkabelan sinyal pada papan PCB sebisa mungkin tidak boleh diubah, dengan kata lain, usahakan tidak menggunakan vias yang tidak diperlukan.
Vias harus dibor ke pin catu daya dan ground. Semakin pendek jarak antara pin dan vias, semakin baik. Beberapa lubang dapat dibor secara paralel untuk mengurangi induktansi ekuivalen.
Tempatkan beberapa lubang ground di dekat lubang tembus perubahan sinyal untuk menyediakan loop terdekat bagi sinyal. Anda bahkan dapat menempatkan beberapa lubang ground berlebih pada papan PCB.
Untuk papan PCB berkecepatan tinggi dengan kepadatan tinggi, Anda dapat mempertimbangkan penggunaan lubang mikro.